山西省東山供水工程9號隧洞TBM施工方案研究

張 亮

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

1 項目背景

山西省東山供水工程是山西省一項跨流域引調(diào)水工程，實現(xiàn)了省內(nèi)汾河流域中游與漳河流域上游連通，是山西省大水網(wǎng)建設(shè)的骨干項目，為“山西大水網(wǎng)”第五橫晉中-長治線的規(guī)劃工程，也是我省“十二五”期間重點建設(shè)互連互通工程之一。工程輸水管（洞）線全長254.64 km,其中隧洞長72.22 km,占整個線路的近1/3，埋深大，洞外水壓力大，地質(zhì)條件復(fù)雜。

9號隧洞是山西省晉中東山供水工程的控制性工程，全長22.648 km，進口段2.273 km為土洞段，其余20.375 km為巖石洞段。9號隧洞進口位于石塔村西的山坡，經(jīng)牛家嘴、草批溝，穿過汾河與濁漳河的分水嶺子金山，過黃風(fēng)溝、涉水老、蔡家山、小峪溝、拾弓溝，出口位于集林坪村西的西坡。9號隧洞為無壓隧洞，設(shè)計流量為6.0m3/s，設(shè)計縱坡1/2700。

該洞段為深埋長隧洞，適合TBM施工。初步設(shè)計中，TBM掘進洞段長為20.175 km，圓形斷面洞徑3.0 m。在TBM掘進洞段中部設(shè)置一個檢修洞室及長1.09 km的檢修支洞。并在掘進洞段末設(shè)置一個拆卸洞室。TBM從9號隧洞出口逆向滑進200 m的鉆爆法洞段（圓形洞徑3.88 m），掘進20.175 km后，在拆卸洞室解體，沿隧洞出口方向出洞。

本次研究建立在初設(shè)所選洞線和TBM方案不變的基礎(chǔ)上，考慮工期以及經(jīng)濟等方面因素，對兩種不同施工方案展開討論。

2 施工方案

9號隧洞TBM施工段為圓形斷面，開挖直徑4.16 m。襯砌為C45（W10、F150）預(yù)制混凝土管片拼裝式結(jié)構(gòu)，四片管片組成一環(huán)，管片型式為六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，厚25 cm，寬1.2 m，襯砌后凈直徑3.4 m。管片與圍巖之間的空隙，頂拱及側(cè)拱270°范圍充填豆礫石并進行回填灌漿，豆礫石回填灌漿結(jié)石強度為C20；底拱90°范圍采用M15水泥砂漿灌漿，以達到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防滲止水效果。管片與管片環(huán)向縫之間用兩個定位連接銷鎖定。

對施工中出水量大及斷層破碎帶洞段，采用超前預(yù)注漿堵水和加固圍巖的方法施工。

2.1 TBM滑行出洞方案

TBM進口段進行鉆爆法施工，在TBM到貨前完成0.8 km開挖及一次支護，TBM通過后再進行二次襯砌；在TBM施工段后通過增設(shè)兩條施工支洞，在TBM掘進14.35 km結(jié)束前，采用鉆爆法完成5.225 km的開挖和一次支護，底拱90°范圍內(nèi)澆筑C20素混凝土，預(yù)埋TBM滑行軌道，TBM掘進段與鉆爆法施工段貫通后，由TBM完成該段的管片襯砌，最后滑行通過土洞段和9-2號支洞出洞。

TBM進口段0.8 km的鉆爆法施工洞段為城門洞型，一次支護后洞寬高均為4.3 m，一次支護后底拱預(yù)埋TBM滑行軌道。TBM施工段后新增的鉆爆法施工洞段5.225 km斷面為圓形，開挖直徑2.23 m，一次支護后直徑2.08 m，TBM通過時進行豆礫石回填灌漿和管片襯砌。土洞段和9-2號支洞為馬蹄形斷面，R1=2R2=4.4 m。新增的兩條施工支洞（9-3號支洞、9-5號支洞）斷面為3.65 m×3 m的城門洞型，進行一次支護及襯砌，支洞長度分別為398 m和572 m。洞線示意見圖1（由于篇幅有限，圖中尺寸非真實比例）。

圖1 TBM滑行出洞方案示意圖

2.2 TBM拆卸出洞方案

TBM進口段進行鉆爆法施工，在TBM到貨前完成0.8 km開挖及一次支護，TBM通過后再進行二次襯砌；在TBM施工段后通過增設(shè)三條施工支洞，在TBM掘進14.635 km結(jié)束前，采用鉆爆法完成4.94 km的開挖、一次支護和二次襯砌，并提前在TBM貫通位置完成TBM拆卸洞室，TBM掘進段與鉆爆法施工段貫通后，在拆卸洞室完成TBM解體。

TBM進口段0.8 km的鉆爆法施工洞段為城門洞型，一次支護后洞寬高均為4.3 m，一次支護后底拱預(yù)埋TBM滑行軌道。在鉆爆法末端處增設(shè)一個拆卸洞室，洞室尺寸為20 m×8.2 m×9.5 m（長×寬×高）。由于TBM在拆卸洞室拆卸，因此鉆爆法的巖石洞段采用城門洞形斷面，成洞斷面為2.6 m×3.1 m。隧洞每10 m設(shè)一個伸縮縫。環(huán)向伸縮縫用651型橡膠止水帶止水，縫內(nèi)填聚乙烯高密度閉孔泡沫塑料板，內(nèi)表面30 mm采用瀝青砂漿填縫。

9-2號支洞與主洞交叉點下游的520 m土洞段的斷面也調(diào)整為小馬蹄形斷面，成洞斷面為R1=2R2=3.0 m。因為TBM不需要經(jīng)過9-2號支洞滑行出洞，9-2號支洞洞線取直，斷面改為城門洞型（3.65 m×3 m）。與新增的三條施工支洞（9-3號支洞、9-4號支洞、9-5號支洞）斷面相同，均為3.65 m×3 m的城門洞型，進行一次支護及襯砌，支洞長度分別為356m、398 m、683 m和572 m。關(guān)于洞線示意和工期說明見圖2。

圖2 TBM拆卸出洞方案示意圖

3 施工工期分析

TBM設(shè)備到貨時間為2013年10月底，組裝時間按60 d控制，2014年1月初開始進行鉆爆法施工洞段的管片安裝和掘進。TBM掘進月進尺為750 m?；M安裝管片襯砌進度為每天60 m。TBM拆卸出洞時間為40 d。

新增鉆爆法施工洞段的施工準備期（包括招標、修建臨時施工道路等）為2個月，2013年3月開始施工，只進行一次支護的洞段按綜合日進尺2.5 m計算，進行二次襯砌的洞段按綜合日進尺2 m計算。

3.1 TBM滑行出洞方案

進口段在TBM設(shè)備到貨前有244 d的施工期，可完成800 m的開挖和一次支護（2013年3月1日～10月31日），TBM 2014年1月1日開始掘進，至2015年8月5日，歷時582 d完成14.35 km掘進任務(wù)，新增鉆爆法施工洞段于2013年3月1日開始2條支洞的開挖及洞內(nèi)的一次支護，分別為：9-3號支洞（長398 m，工期為2013年3月1日～9月16日)，9-5號支洞（長572 m，工期為2013年3月1日～12月12日)。兩條支洞打通后，分別向主洞兩個方向進行鉆爆法開挖及支護。這樣鉆爆段主洞（5.225 km）同時有四個掘進斷面，預(yù)計工期分別為：

9-3號支洞向西側(cè)掘進段（1550 m）2013年9月17日～2015年5月30日)

9-3號支洞向東側(cè)掘進段（920 m）2013年9月17日～2014年9月20日)

9-5號支洞向西側(cè)掘進段（1425 m）2013年12月13日～2015年7月6日)

9-5號支洞向東側(cè)掘進段（1330 m）2013年12月13日～2015年5月29日)

至2015年7月6日完工，新增鉆爆法施工洞段全面貫通。

于2015年8月5日進入空滑安裝管片灌漿階段。TBM通過鉆爆法施工巖洞段（5225 m）經(jīng)過4個月的安裝管片灌漿，然后空滑通過鉆爆法施工土洞段（520 m）及9-2號支洞（長550 m），于2015年12月6日開出。

3.2 TBM拆卸出洞方案

進口段在TBM設(shè)備到貨前有244 d的施工期，可完成800 m的開挖和一次支護，TBM 2014年1月1日開始掘進，至2015年8月17日，歷時593天完成14.635 km掘進任務(wù)，經(jīng)過40 d的時間于2015年9月27日拆卸出洞。9號隧洞全面貫通。

TBM出口段鉆爆法施工洞段從2013年3月1日開始3條支洞（1.653 km）及主洞（4.94 km）的開挖及洞內(nèi)的支護襯砌，至2015年7月6日完工。9號隧洞于2015年9月27日全面貫通。分別為：9-3號支洞（長398 m，工期為2013年3月1日～9月16日)，9-4號支洞（長683 m，工期為2013年3月1日～2014年2月5日)，9-5號支洞（長572 m，工期為2013年3月1日～12月12日)。支洞打通后，分別向主洞兩個方向進行鉆爆法開挖及支護。鉆爆段主洞（5.225 km）各個施工斷面預(yù)計工期分別為：

9-3號支洞向西側(cè)掘進段（720 m）2013年9月17日～2014年9月12日)

9-3號支洞向東側(cè)掘進段（920 m）2013年9月17日～2014年12月21日)

9-4號支洞向西側(cè)掘進段（760 m）2014年2月6日～2015年2月21日)

9-4號支洞向東側(cè)掘進段（600 m）2014年2月6日～2014年12月3日)

9-5號支洞向西側(cè)掘進段（1140 m）2013年12月13日～2015年7月6日)

9-5號支洞向東側(cè)掘進段（800 m）2013年12月13日～2015年1月17日)

TBM拆卸出洞方案比TBM滑行出洞方案可提前70 d完工。

4 投資比較

TBM滑行出洞方案：包含800 m的出口鉆爆段，14.35 km TBM段，5225 m的鉆爆法開挖管片襯砌段，520 m的鉆爆法開挖土洞段，以及三條施工支洞，其中9-3號支洞、9-5號支洞為巖洞（城門洞型3.65 m×3 m），9-2號支洞為馬蹄形斷面（R1=2R2=4.4 m）。估算工程直接費為36099萬元。

TBM拆卸出洞方案：包含800 m的出口鉆爆段，14.635 km TBM段，4940 m的鉆爆法開挖襯砌段（拆卸洞室在此段內(nèi)），727 m的鉆爆法開挖土洞段，以及四條施工支洞，其中9-2號支洞、9-3號支洞、9-4號支洞、9-5號支洞均為城門洞型（3.65 m×3 m）。估算工程直接費為33119萬元。

經(jīng)比較，TBM拆卸出洞方案比TBM滑行出洞方案估算工程直接費少2980萬元。

5 結(jié)論

通過以上方案比選，對東山供水工程9號隧洞預(yù)備TBM施工的洞段決定采用TBM拆卸出洞方案，施工進行中，如TBM施工洞段進展未能達到工期計劃，則可由鉆爆法施工洞段掘進進行彌補，使兩段隧洞按時貫通，反之亦然，因此該方案能保證施工工期要求，并且經(jīng)濟費用上也更加合理，綜合以上關(guān)鍵因素，選定為最適合本工程的施工方案。